王玉普 劉一良 孫 龍 李杰林 周科平 李光全

（1.玉溪礦業(yè)有限公司；2.中南大學資源與安全工程學院）

隨著金屬礦山開采深度的不斷增大，越來越多的金屬礦山已經或即將進入深部開采階段，目前世界上有色金屬礦最大開采深度已超過4 350 m［1］。隨著開采深度的增大，受地熱及風流自壓縮熱等因素的影響，礦井高溫熱害問題日益凸顯［2-3］，成為當下采礦和安全領域的重點和難點。

我國對井田地溫場及井巷圍巖溫度的研究最早開始于1954 年［4］，近些年來，礦井降溫技術研究發(fā)展迅速，可分為非人工制冷降溫技術及人工制冷降溫技術2類。前者主要包括通風降溫、利用調溫巷道降溫、巷壁絕熱等技術，后者主要包括人工制冷水/冰降溫、液態(tài)氣體相變制冷降溫、直膨式熱泵降溫等技術，各類降溫技術均能在一定程度上緩解礦山高溫熱害問題［5］。從應用情況來看，非人工制冷降溫技術降溫幅度有限，尤其是針對以地熱為主要熱源的礦山，降溫效果較差，通常僅作為輔助措施［6］；而人工制冷降溫技術降溫效果良好，但此類技術通常需要在地面或井下建立制冷系統(tǒng)，存在占地面積大、成本高、能耗大、移動性差等不足［7］，且隨著開采深度的不斷增大，冷量制備和傳輸壓力也將進一步增大，尤其是對于以地熱成因、作業(yè)點分布范圍廣的金屬礦山而言，性價比較低。

為了解決高溫礦井掘進工作面熱害難題，以云南大紅山銅礦為研究對象，在對礦山熱害成因和各類降溫方案的降溫效果及適用條件分析的基礎上［8-9］，提出了一種金屬礦山高溫工作面的移動式人工制冷降溫方法，并開展了現(xiàn)場試驗，取得了初步的應用效果［10-11］。為進一步探究人工制冷設備對金屬礦山高溫工作面的適用性，采用現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬的方法對制冷設備運行工況下的巷道溫度場分布特征開展研究，研究成果可為高溫礦井人工制冷技術研發(fā)提供指導。

1 人工制冷設備降溫效果的現(xiàn)場試驗

1.1 設備概況

人工制冷設備功率為15 kW，采用一體化設計，由設備主體及拖行式平臺兩部分組成。設備主體正面有冷風進風口及2 個冷風出口，背面有4 個熱風出口，冷凝器、壓縮機、儲液器等集成在設備主體內部，設備主體安設在拖行式平臺上，便于對設備進行拖拽前行或后退。

1.2 試驗工況設置

現(xiàn)場試驗地點選取大紅山銅礦西礦段140 m 水平132 線探礦穿脈，巷道斷面為三心拱，斷面尺寸為4 m×3.4 m，人工制冷設備放置于距離工作面12 m處，設備正面朝向工作面，向工作面輸送冷風。考慮到工作面附近區(qū)域人員活動較為頻繁，故在制冷設備的一個冷風出口處增設直徑為800 mm的冷風送風風筒，風筒出口距離工作面5 m。前期研究成果表明：縮小制冷空間、有效排出制冷設備運行過程中產生的熱量，有利于提高降溫效果，故在制冷設備左右兩側及上側安設風障以縮小制冷空間。同時，為了降低設備散熱對制冷效果的影響，在制冷設備熱風出口處增設直徑為600 mm、長為10 m 的排熱風筒，將散熱排出設備周圍區(qū)域?，F(xiàn)場試驗如圖1所示。

為便于評價降溫效果，試驗時在制冷空間內設置編號依次為1號、2號、3號的3個測點，與工作面距離分別為1、6 和11 m，3 個測點距巷道底板高度均為1.6 m，每隔5 min自動記錄測點處的干球溫度值。

1.3 結果分析

設備開機后，3 個測點的干球溫度變化如圖2 所示，可以看出，溫度穩(wěn)定后，1 號測點干球溫度位于25.9～26.9 ℃，2 號測點干球溫度位于27.0～28.0 ℃，3號測點干球溫度位于27.0～27.9 ℃，與原始的環(huán)境溫度相比（34 ℃），各測點溫度均下降明顯，說明人工制冷設備的降溫效果顯著。

2 人工制冷設備降溫效果的數(shù)值模擬分析

2.1 物理模型建立

物理模型如圖3所示，模型長為100 m，斷面尺寸及人工制冷設備相應位置參數(shù)設置參照前文試驗數(shù)據(jù)。

2.2 模擬參數(shù)設定

對物理模型進行網格劃分后將其導入Fluent，求解器選擇壓力基、絕對速度、穩(wěn)態(tài)，設置重力加速度沿Y軸負方向，數(shù)值為9.81 m/s2，開啟能量方程?？紤]到礦井巷道中的風流多為湍流流動，故開啟湍流模 型，模 型 選 用Realizable K-Epsilon［12］，算 法 選 用SIMPLE［13］。

結合現(xiàn)場試驗所得的各項實測數(shù)據(jù)，設定模擬過程中的邊界條件如下。

（1）入口邊界：均為速度入口邊界，設定未增設冷風送風風筒的人工制冷設備冷風出口速度為10 m/s，溫度為25.5 ℃；設定冷風送風風筒的風筒出口速度為10 m/s，溫度為26 ℃；設定排熱風筒的風筒出口速度為10 m/s，溫度為48 ℃。

（2）出口邊界：設定人工制冷設備冷風進風口為壓力出口邊界，壓力設置為-10 Pa。

（3）壁面邊界：設定巷道壁面為無滑移固體壁面邊界，壁面溫度設置為34 ℃。

2.3 模型驗證

參數(shù)設定完成之后，進行初始化，開展穩(wěn)態(tài)模擬。模擬收斂后，將計算結果導入CFD-Post 中進行后處理，在模型中添加1 號、2 號、3 號3 個點，分別對應現(xiàn)場試驗中的3 個測點，得到3 個點的干球溫度值分別為27.0、26.9、27.4 ℃。3 個測點的模擬溫度值與實測溫度值對比如圖4所示，可以看出，3個測點的模擬溫度值與實測溫度值之間的誤差分別為0.4%～4.2%、0.4%～3.9%、1.5%～1.8%，均小于4.2%，處于可接受范圍內，故認為數(shù)值模擬模型可靠，計算結果正確。

3 人工制冷設備運行下巷道溫度場分布規(guī)律

提取數(shù)值模擬計算結果，對巷道溫度場規(guī)律進行分析。

3.1 沿巷道軸向的溫度場分布特征

以掘進工作面為起點，在距離工作面1～36 m 范圍內每隔1 m 取一個截面，獲得截面的平均溫度，繪制截面平均干球溫度隨距工作面距離的變化圖，如圖5所示。依據(jù)各截面平均干球溫度的影響因素，可將圖5 大致分為3 個區(qū)域。第一個區(qū)域為制冷空間（圖5 中A 區(qū)域），此區(qū)域內干球溫度受制冷設備產生的冷空氣及巷道內少量進入制冷空間的熱空氣影響，截面平均干球溫度隨距工作面距離的增大而增大；第二個區(qū)域為風障至制冷設備排熱風筒出口（圖5 中B 區(qū)域），此區(qū)域內干球溫度受制冷空間內逸散的部分冷空氣、巷道內原有的熱空氣及制冷設備運行產生的熱量影響，截面平均干球溫度隨距工作面距離的增大而增大；第三個區(qū)域為排熱風筒出口至距離工作面36 m范圍內（圖5中C區(qū)域），此區(qū)域內干球溫度受制冷設備運行產生的熱量影響，截面平均干球溫度隨距工作面距離的增大呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，若巷道足夠長，則溫度最終將趨近于巷道內原始空氣的溫度。

從圖5可以看出，制冷空間內各截面平均干球溫度均低于28 ℃，現(xiàn)場試驗實測巷道相對濕度為70%，按照干球溫度28 ℃換算得到的濕球溫度約為23.6 ℃，低于27 ℃，滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423—2020）的規(guī)定。由此可見，人工制冷設備的降溫效果良好，能夠有效解決金屬礦山工作面的高溫問題。

從圖5 也可以看出，在距離工作面1～36 m 范圍內截面平均干球溫度發(fā)生了2次躍遷，第一次為區(qū)域A 與區(qū)域B 的交界處，即風障所在位置，干球溫度由風障內側的27.85 ℃躍遷至風障外側的31.35 ℃，溫差3.5 ℃；發(fā)生躍遷的原因是風障將巷道內的冷熱空氣分隔在制冷空間內外，阻隔了制冷空間內冷空氣向制冷空間外流動及制冷空間外熱空氣向制冷空間內流動，減少了冷熱空氣的換熱。第二次為區(qū)域B與區(qū)域C 的交界處，即排熱風筒出風口處，干球溫度由風筒出口靠近工作面一側的36.25 ℃躍遷至風筒出口靠近巷道出口一側的37.85 ℃，溫差1.6 ℃；此位置處的溫度躍遷由制冷設備運行產生的熱量排放造成，而經排熱風筒排出的熱空氣會使截面平均干球溫度最高升至42.75 ℃，由此可見，若未設置排熱風筒，風障內外兩側最高溫差將接近或超過10 ℃。

綜上分析，設置風障能夠有效增加冷空氣利用率，提高設備的降溫效果；而設置排熱風筒能夠有效地將設備運行產生的熱量排放至遠離設備區(qū)域，避免熱空氣在設備附近積聚，極大減少了熱空氣的回流，大幅提高了設備的降溫效果，在實際應用中，可充分利用局部通風系統(tǒng)來排出設備運行產生的熱量，減少拆裝風筒造成的人力物力消耗。

3.2 不同位置的巷道橫截面溫度分布特點

制冷空間為制冷降溫的重點關注區(qū)域，故以Z=1 m、Z=3 m、Z=5 m、Z=7 m、Z=9 m、Z=11 m 的干球溫度分布云圖為例探究巷道橫截面的干球溫度分布特點，不同截面的干球溫度分布云圖如圖6所示。從圖6 可以看出，在Z=1 m、Z=3 m、Z=5 m 時，各個截面的整體干球溫度較低，冷空氣分布均勻，溫度最低點集中在冷風送風風筒出口附近，熱空氣則主要集中在巷道壁面附近，且隨著與工作面距離的增大，各個截面的冷空氣呈現(xiàn)出從四周向冷風送風風筒出口收縮的趨勢。而在Z=7 m、Z=9 m、Z=11 m 時，各個截面的整體干球溫度有所上升，冷空氣覆蓋范圍減小，但熱空氣主要分布在巷道上部，冷空氣則在巷道中下部分布均勻，若取作業(yè)人員的平均身高為1.7 m，則此范圍內的熱空氣不會對作業(yè)人員造成過大的影響。此外，各個截面干球溫度最低點分布在冷風出口附近，且隨著距工作面距離的增大，各個截面的冷空氣同樣呈現(xiàn)出從四周向設備冷風出口收縮的趨勢。

4 結 論

（1）通過現(xiàn)場試驗，人工制冷設備可將制冷空間內干球溫度降低至28 ℃以下，對應的濕球溫度約為23.6 ℃，滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423—2020）的規(guī)定，降溫效果顯著，對金屬礦山高溫工作面有良好的適用性。

（2）安設風障能有效地將冷熱空氣阻隔在制冷空間內外，能夠顯著減少冷熱空氣的換熱，提高冷空氣利用率，提升制冷設備的降溫效果。

（3）增設排熱風筒能夠及時將制冷設備運行產生的熱量排放至遠離設備的區(qū)域，避免熱空氣在設備附近積聚，有效提高了制冷設備的降溫效果。

（4）制冷空間內溫度最低點分布在冷源出口（冷風送風風筒出口、冷風出口）附近，隨著距工作面距離的增大，制冷空間內的冷空氣呈現(xiàn)出向冷源出口收縮的趨勢。